Imec, KU Leuven a PragmatIC Semiconductor představují nejrychlejší flexibilní 8bitový mikroprocesor pro úsporné aplikace

Flexibilní 8bitový mikroprocesor od Imec vedle 2-eurové mince.

Screenshot hry Snake v akci a časové údaje.

Tento týden představí imec, celosvětově přední výzkumné a inovační centrum pro nanoelektroniku a digitální technologie, KU Leuven a PragmatIC Semiconductor, celosvětově přední společnost pro flexibilní elektroniku, na Mezinárodní konferenci o pevných stavebních obvodech (2022 ISSCC) nejrychlejší 8bitový mikroprocesor v flexibilní technologii s tenkou vrstvou oxidu o rozměrech 0,8 µm, který je schopen provádět složité assemblerové kódy v reálném čase. Mikroprocesor byl realizován pomocí jedinečného digitálního návrhového toku, který umožnil vytvoření nové standardní knihovny buněk pro technologie s tenkou vrstvou oxidu, relevantní pro vývoj široké škály IoT aplikací. Robustní technologie s tenkou vrstvou oxidu od PragmatIC Semiconductor, partnera foundry imec, byla klíčem k integraci přibližně 16 000 tranzistorů s tenkou vrstvou oxidu na flexibilní čip o rozloze 24,9 mm2.

Flexibilní elektronika založená na tenkých filmových tranzistorech je preferována před Si-CMOS elektronikou pro aplikace, které vyžadují levné, tenké, flexibilní a/nebo ohýbatelné zařízení. Technologie se již osvědčila například u senzorů pro zdravotní náplasti a RFID štítků, stejně jako u řidičů pro LCD displeje. Co nyní chybí, je flexibilní mikroprocesor, který by mohl provádět složitější výpočty zpracování signálu a tím rozšířit širokou škálu IoT aplikací o výpočetní funkce.

Imec vyvinul flexibilní 8bitový mikroprocesor v technologii tranzistorů s rozměry 0,8 µm na bázi indium-gallium-zinek-oxidu (IGZO), který je schopen provádět takové složité výpočty. Kris Myny, vedoucí vědecký pracovník v imec: "Náš flexibilní mikroprocesor vykazuje vynikající vlastnosti pro IoT aplikace, včetně vysoké rychlosti (maximální taktovací frekvence 71,4 kHz), nízké spotřeby energie (11,6 mW při 10 kHz, 134,9 mW při maximální taktovací frekvenci) a vysoké hustoty integrace tranzistorů (~16 000 tranzistorů s bránou 0,8 µm na čipu o rozloze 24,9 mm2). Navíc na ISSCC 2022 předvedeme bezvadný provoz našeho obvodu v reálném čase, když spustíme složitý assemblerový kód populární hry Snake."

S novým mikroprocesorem se imec vypořádal s důležitými výzvami souvisejícími s návrhem unipolárních systémů. Kris Myny: "Metalloxidové tenké filmové tranzistory založené na IGZO jsou přirozeně n-typové. To vede ke schématům s vyšší (statickou) spotřebou energie ve srovnání s komplementárními technologiemi. Abychom tento problém vyřešili, vyvinuli jsme vlastní návrhový tok na základě otevřeného zdrojového souboru mikroprocesoru MOS6502 – jednoho z nejpoužívanějších mikroprocesorů, jaké byly kdy vyvinuty. Navrhli jsme počet buněk a logických hradel tak, aby byl dosažen optimální design našeho flexibilního mikroprocesoru 6502 z hlediska velikosti, výkonu a rychlosti – s použitím pseudo-CMOS pro naši logickou rodinu. Díky tomuto jedinečnému návrhovému procesu jsme mohli vytvořit novou knihovnu standardních buněk pro technologii s tenkou vrstvou oxidu, která může být využita pro inovativní aplikace založené na této technologii. Tato práce je krásným zakončením mého ERC Starting Grantu, jehož cílem bylo otevřít nové perspektivy v oblasti technologie tenkých filmových tranzistorů.

Pro výrobu flexibilního mikroprocesoru se imec spojil s partnerem foundry PragmatIC, jehož jedinečná FlexIC-Foundry® umožňuje rychlé prototypování a výnosnou sériovou výrobu flexibilních integrovaných obvodů. Brian Cobb, viceprezident pro vývoj produktů ve společnosti PragmatIC: "Až donedávna neexistovala vyspělá a robustní technologie, která by umožnila integrovat tak velké množství tenkovrstvých tranzistorů s dostatečnou výtěžností. Naše průlomová výroba FlexLogIC® nyní umožňuje rychlou realizaci takto složitých nových návrhů za extrémně nízké náklady a dodává integrované obvody na tenké a flexibilní wafery. Naše služba FlexIC-Foundry přispívá k rozšiřování spektra návrhů a případů použití flexibilní elektroniky týmy designérů, jako je ten od imec."

Tato výzkumná práce byla provedena v rámci ERC Starting Grant FLICs podle finanční dohody č. 716426 v rámci programu Horizon 2020 Evropské unie.